báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng

Khác với anten băng rộng, anten đabăng đã được thiết kế cho tốc độ truyền dẫn tốc độ cao và các dịch vụđa băng có yêu cầu dung lượng lớn.Anten Yagi-Uda là một trong những loại anten phổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

*****  *****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN:

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

GVHD: TS Phạm Thành Công

Nhóm sinh viên thực hiện: Mã lớp: 137370 Phạm Quang Huy

Phạm Văn Hoan

Hồ Đức Nam

20203456 20203427 20203515

Hà Nội, tháng 02 năm 2023

Lời mở đầu

Với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống thông tin vô tuyến, nhu cầu ngày càng tăng đối với các ăng-ten tích hợp nhiều hệ thống thông tin vào một môđun nhỏ gọn Các ứng dụng vô tuyến như điện thoại di động 2G / 3G /4G, Hệ thống Định vị Toàn cầu(GPS), Mạng cục bộ vô tuyến( WLAN), Bluetooth đã được phát triển với tốc độ nhanh trong thập kỷ qua Có nhiều sự phát triển thiết kế ăng ten đa băng tần và các

kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để tạo ra các đặc điểm đa băng tần của các ăng ten Trong một số nghiên cứu, người ta đã báo cáo các ứng dụng và công nghệ của thiết kế của ăng-ten đa băng tần, bao gồm ăng-ten của máy cầm tay bốn băng tần có kích thước nhỏ gọn , anten đảo ngược lớp F phẳng, anten ba băng thông qua băng thông siêu rộng với cấu trúc tấm phẳng đơn giản Khác với anten băng rộng, anten đa băng đã được thiết kế cho tốc độ truyền dẫn tốc độ cao và các dịch vụ

đa băng có yêu cầu dung lượng lớn

Anten Yagi-Uda là một trong những loại anten phổ biến và được

sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng về truồng, tổng đài và viễn thông

Nó được phát minh bởi Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda tại Nhật Bản vào năm 1926 và từ đó trở thành một trong những loại anten quan trọng nhất trong lịch sử viễn thông Nó được biết đến như một anten định hướng cao được sử dụng trong truyền thông không dây Loại anten này thường được sử dụng cho mô hình điểm – điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểm – đa điểm Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song nhau Trong bài báo cáo này, chúng tôi sẽ tìm hiểu về cấu trúc, hoạt động, các điểm ưu việt và thiết kế mô phỏng một anten Yagi-Uda

I Cơ sơ lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của anten Yagi-Uda là sự tăng cường điều hướng của điện từ qua việc sử dụng một số lượng các element (cọc, tầng, đầu phát) thiết kế chính xác với khoảng cách giữa các element này Element đầu phát (driven element) là element chính của anten và các element khác (director, reflector) được sử dụng để tăng cường sức tải điện từ và tăng cường hướng của sóng

1 Cấu trúc anten Yagi – Uda

Hình 1 Mô hình anten Yagi – Uda Cấu tạo: gồm 3 phần

- Phần tử phản xạ: I px > λ2 ( 1 hay nhiều chấn tử, có thể là 1 mặt)

- Phần tử nguồn: 1chấn tử cộng hưởng Inguồn hay Icđ, Ich có độ dài xấp xỉ

λ

2 (z OA = 75Ω nên dung chấn tử đơn)

- Phần tử phản xạ: 1 hoặc nhiều chấn tử Idx < λ2 được sắp xếp trên đường thẳng sao cho dẫn tử trước là phản xạ của chấn tử sau, chấn tử sau là dẫn xạ của chấn tử trước

+ Đồng thời:

Idx1> I dx 2 > Idx3 > > IdxN thì Idx = const

HoặcIdx1<I dx 2 <I dx 3 <…<I dxN thìIdx=c onst

2 Nguyên lí làm việc

- Xét một anten dẫn xạ gồm ba phần tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn tử dẫn xạ D

- Chấn tử chủ động được nối với máy phát cao tần Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong P và D sẽ xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp

- Nếu chọn được chiều dài của P và khoảng các từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A Khi ấy, năng lượng bức xạ của cặp A P sẽ giảm yếu về phía chân tử phản xạ (hướng -z) và được tăng cường theo hướng ngược lại ( hướng +z)

- Tương tự nếu chọn được độ dài của D và khoảng cách từ D đến A một cách thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A Khi ấy, năng lượng bức xạ của hệ A D sẽ được tập trung về phía chấn tử dẫn xạ và giảm yếu theo hướng ngược ( hướng z)

Kết quả là năng lượng bức xạ của cả hệ sẽ được tập trung về một phía hình thành một kênh dẫn song dọc theo trục của Anten, hướng từ chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ

- Anten hướng từ chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện trong chấn tử chủ động (I1) và dòng điện trong chấn tử thụ động (I2) có quan hệ dòng với nhau bởi biểu thức:

I2

I 1 = ae tφ

Vớia=√(R 12

2

+ X 12

2 ×R222

+X 22 2

) φ=π +arctg(X 12

R )−arctg(X22

R )

Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn và dấu hiệu kháng riêng X22, do đó sẽ biến đổi ngược a và iφ

3 Ưu điểm và nhược điểm của anten Yagi

❖ Ưu điểm

• Thiết kế anten nhỏ gọn

• Độ lợi và mô hình bức xạ rất đa dạng tùy theo yêu cầu

❖ Nhược điểm

• Gắn ngoài

• Chi phí lắp đặt cao

4 Mạng tiếp điện và phối hợp trở kháng

- Anten chúng ta cần thiết kế có Zv=75Ω Đối với anten YAGI việc phân phối trở kháng điện trở phụ thuộc trực tiếp vào chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) do chấn tử này được kết nối trực tiếp với nguồn, các chấn tử còn lại đều là các chấn tử thụ động Để thuận lợi trong trường hợp này ta chọn cách phối hợp anten chữ U

Hình 2:

- Trên hình vẽ ta thấy từ điểm tiếp điện C đến (1) và (2) lệch nhau một đoạn Δl =λ

2 , Dòng điện tải (1),(2) ngược pha nhau thỏa mãn tính chất đối xứng pha Biên độ I1 và I2 đều bằng nhau vì đều là dòng lõi Trở kháng: Z12 = ZVA = Z’ = 75Ω

Điểm O nằm trên mặt đẳng thế của vỏ cáp: Z 10 = Z 20 = z'2 = 752

Mặt khác: l c−2

λ

4

Zt=Z20 => Zv(c−2) = zod

2

Zt = 75 2752

/ = 150Ω

Khảosát Z v từC−(1):l2=l1+λ

2 Khi đó một đoạn l = λ2 ta có Zv=Zt không thuộc vào Z0

¿ >Z v ( c−1 ) =Z v ( c−2 ) =150Ω

¿ >Z vc =Z v (c−1 // Z v(c−2)= 150 // 150 = 75Ω

¿ > Đối chiếuđường dâytiếpđiện Ω 75

Có phối hợp trở kháng Phối hợp trở kháng cho anten chữ U

- Bộ biến đổ đối xứng hình cốc

Sơ đồ dưới là sơ đồ bộ biến đổi dối xứng kiểu cốc λ4 Trong trường hợp này, cáp tiếp điện được đặt vào cốc kim loại và vỏ cáp được nối với cốc tại chỗ cáp xuyên qua đáy cốc Với kết cấu như trên ta sẽ nhận được một đoạn cáp đồng trục tiếp điện Đoạn cáp đồng trục này bị ngắn mạch một đầu tại đáy cốc Nếu độ dài của cốc là λ4 thì trở kháng vào của cáp đồng trục mới sẽ là ∞ Do đó dòng chảy ra ngoài của cáp tiếp điện sẽ bằng 0 Bộ biến đổ đối xứng dùng cốc như trên có dải tần

công tác hẹp vì khi bước sóng thay đổi, độ dài sẽ khác 14 bước sóng,

do đó sẽ xuất hiện dòng chảy ra mặt ngoài và ảnh hưởng đến tiếp điện đối xứng cho chấn tử

Hình 3: Sơ đồ bộ biến đổi đối xứng kiểu cốc λ4

II Thiết kế anten

Yêu cầu thiết kế: thiết kế anten Yagi – Uda ứng dụng trong thu sóng cho truyền hình số mặt đất DVB – T2

Tần số làm việc: UHF 469 MHz - 858 MHz

Độ lợi sóng: 8 – 16 dB

Trở kháng vào: 50 Ω

1 Tính toán kĩ thuật

- Ta có dải tần kênh truyền là 469 MHz – 858 MHz Từ đó ta tính được tần số trung tâm và bước sóng là:

f = 469 858+2 =664 MHz

f = 0.45 (m)

- Ta chọn mô hình Anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau:

Hình 4:

o N = 6 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,…,6 được ký hiệu trên hình 4) mỗi chấn tử có chiều dài 2 ldẫnxạ;

o Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) ký hiệu 0, chiều dài

2 lphátxạ

o Chấn tử chủ động dùng làm Anten chấn tử nửa sóng

o Đối với loại Anten này, dòng trong chấn tử chủ động được cảm ứng do trường tạo bởi chấn tử chủ động Còn pha của dòng trong các chấn tử thụ động có thể điều chỉnh được đẻ đảm bảo nhận được sự bức xạ đơn hướng Với mục đích như trên (dòng trong thanh phản xạ nhanh pha hơn so với sòng trong thanh phát xạ) thì độ dài của thanh phản xạ cần chọn lớn hơn độ dài của thanh phát xạ (chấn tử 0) Thường thì độ dài thanh phản xạ được chọn trong giới hạn (0.51 – 0.53)λ

o Pha yêu cầu trong thanh dẫn xạ (chậm pha so với dòng trong chấn tử chủ động) cũng được đảm bảo bằng cách chọn độ dài của nó, thông thường độ dài thanh dẫn xạ của chấn tử chủ động

và bằng (0.32 – 0.38)λ Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với thanh dẫn xạ đầu tiên cũng như giữa các thanh dẫn xạ với nhau được chọn trong giới hạn (0.1 – 0.35)λ

o Với yêu cầu như trên, ta chọn độ dài và khoảng cách của các chấn tử như sau:

 Chiều dài của chấn tử phát xạ:

2 l phátxạ =λ2 = 0.452 = 0.225 (m)

 Chiều dài của chấn tử phản xạ:

2 l phảnxạ =0.53 λ = 0.53 × 0.45 = 0.2385 (m)

 Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ:

d phảnxạ =0.25 λ=0.25 × 0.45=0.1125 (m

 Chiều dài của các chấn tử dẫn xạ là như nhau và bằng

2 l dẫnxạ =0.33 λ=0.33 × 0.45 0.1485 = (m

 Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử dẫn xạ đầu tiên cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ với nhau:

d dẫn xạ =0.25 λ=0.25 ×0.45 0.1125 = (m

 Như vậy Anten có chiều dài là:

L = d dx + d dx N=0.1125+0.1125 ×6=0.7875(m)

2 Đặc trưng phương hướng

Đặc trưng phương hướng của anten Yagi-Uda có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước của phần tử hoặc khoảng cách giữa các phần

tử Ví dụ, nếu chúng ta muốn tập trung phát sóng điện tử theo một hướng nào đó, thì chúng ta có thể thay đổi kích thước hoặc khoảng cách của các director element để tạo ra đặc trưng theo hướng mong muốn

Anten Yagi-Uda có thể được sử dụng để gửi hoặc nhận sóng điện từ

và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như truyền tín hiệu mạng, truyền hình hoặc viễn thông di động Nó vẫn có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như đo lường sóng vô tuyến hoặc phát hiện vũ trụ

III Mô phỏng

IV Kết luận

Qua kết quả mô phỏng đạt được ta thấy rằng Anten là một hệ thống phức tạp, khi thay đổi một vài thông số kỹ thuật trong khi thiết kế thì

sẽ dẫn đến chất lượng ảnh của Anten Chẳng hạn như, khi tăng khoảng cách giữa các chấn tử lớn dần hoặc chọn số thanh dẫn xạ nhiều quá, thì sự bức xạ hướng tính của Anten càng tăng, đồng thời số bức xạ phụ tăng lên, làm cho tín hiệu thu không được tốt hoặc rất khó thu Nếu muốn thu được tín hiệu truyền hình tốt thì ta phải điều chỉnh Anten thu hướng một cách chính xác về hướng Anten phát của đài cần thu Vì vậy cần phải điều chỉnh các thông số trên sao cho phù hợp để

có được sự bức xạ tốt nhất, số bức xạ phụ nhỏ thì Anten thu sẽ thu được tín hiệu tốt mà không gặp phải khó khăn trong việc điều chỉnh hướng của Anten thu theo một hướng chính xác về phía Anten phát vì khi đó độ rộng bức xạ chính là lớn

Bên cạnh đỏ, sử dụng các phương pháp tiếp điện để phối hợp trở kháng cũng là vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng thu của Anten Ngoài ra trên Anten đã được thiết kế, ta có thể mở rộng dải tần

để thu được nhiều kênh hơn bằng cách ghép song song các chấn từ dẫn xạ và dùng chấn tử vòng để cấp điện cho Anten

Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn thầy đã hướng dẫn chúng

em trong quá trình làm bài lớn này

Chúng em xin chúc thầy và gia đình mạnh khỏe!!

Phạm Quang Huy - 20203456 Tìm hiểu Anten Yagi-Uda, làm báo

cáo, trình bày Phạm Văn Hoan - 20203427 Tìm hiểu Anten Yagi-Uda, mô phỏng

Anten

Hồ Đức Nam – 20203515 Tìm hiểu Anten Yagi-Uda, tính toán

thông số